Electrical properties of aggregated detonation nanodiamonds

Nanometer-scale diamonds formed using a detonation process are an interesting class of diamond materials. Commercially supplied material is highly aggregated with ~ 5 nm diamond crystals forming particles with micron sizes. Previous models have suggested that nondiamond carbon is incorporated between the crystals, which would reduce the electrical and chemical usefulness of this form of diamond. However, using impedance spectroscopy we have shown that at temperatures below 350?°C the form of detonation nanodiamond being studied is a near to ideal dielectric, implying a full sp3 form. At temperatures above this the surfaces of the diamond crystals may support some nondiamond carbon

Encapsulation of nanoparticles into single-crystal ZnO nanorods and microrods

One-dimensional single crystal incorporating functional nanoparticles of other materials could be an interesting platform for various applications. We studied the encapsulation of nanoparticles into single-crystal ZnO nanorods by exploiting the crystal growth of ZnO in aqueous solution. Two types of nanodiamonds with mean diameters of 10 nm and 40 nm, respectively, and polymer nanobeads with size of 200 nm have been used to study the encapsulation process. It was found that by regrowing these ZnO nanorods with nanoparticles attached to their surfaces, a full encapsulation of nanoparticles into nanorods can be achieved. We demonstrate that our low-temperature aqueous solution growth of ZnO nanorods do not affect or cause degradation of the nanoparticles of either inorganic or organic materials. This new growth method opens the way to a plethora of applications combining the properties of single crystal host and encapsulated nanoparticles. We perform micro-photoluminescence measurement on a single ZnO nanorod containing luminescent nanodiamonds and the spectrum has a different shape from that of naked nanodiamonds, revealing the cavity effect of ZnO nanorod.

Nanodiamond-Based Thermal Fluids

Dispersions of nanodiamond (average size similar to 6 nm) within dielectric insulator mineral oil are reported for their enhanced thermal conductivity properties and potential applications in thermal management. Dynamic and kinematic viscosities-very important parameters in thermal management by nanofluids-are investigated. The dependence of the dynamic viscosity is well-described by the theoretical predictions of Einstein's model. The temperature dependence of the dynamic viscosity obeys an Arrhenius-like behavior, where the activation energy and the pre-exponential factor have an exponential dependence on the filler fraction of nanodiamonds. An enhancement in thermal conductivity up to 70% is reported for nanodiamond based thermal fluids. Additional electron microscopy, Raman spectroscopy and X-ray diffraction analysis support the experimental data and their interpretation.

Microwave synthesis of fluorescent carbon nanoparticles with electrochemiluminescence properties

We present a facile, economical microwave pyrolysis approach to synthesize fluorescent carbon nanoparticles with electrochemiluminescence properties.

Nanocatalysts for sustainable industrial processses

In Chapter 1, rhodium nanoparticles were supported on multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and bound to the magnetic core-shell system Fe3O4@TiO2. The composite Fe3O4@TiO2-Rh-MWCNT and the intermediates were characterized by SEM, EDS and TEM. Their catalytic activity was studied using i) the hydrogenation transfer of nitroarenes and cyclohexene in the presence of hydrazine hydrate; ii) the reduction of 2-nitrophenol with NaBH4; and iii) the decoloration of pigments in the presence of hydrogen peroxide. The results were monitored by gas chromatography (i) and UV Visible (ii and iii). In the second chapter, the catalytic activity of six oxidovanadium(V) aroylhydrazone complexes, viz. [VOL1(OEt)][VOL1(OEt)(EtOH)] (1), [VOL2(OEt)] (2), [Et3NH][VO2L1] (3), [VO2(H2L2)]2·EtOH (4), [VOL1(µ -O)VOL1] (5) and [VOL2(µ -O)VOL2] (6) (H2L1 = 3,5-di-tert-butyl-2-hydroxybenzylidene)-2hydroxybenzohydrazide and H2L2 = 3,5-di-tert-butyl-2-hydroxybenzylidene)-2 aminobenzohydrazide), anchored on nanodiamonds with different treatments, was studied towards the microwave-assisted partial oxidation of 1-phenylethanol to acetophenone in the presence of tert-butyl hydroperoxide (TBHP) as oxidant. A high selectivity for acetophenone was achieved for the optimized conditions. The possibility of recycling and reuse the heterogeneous catalysts was also investigated. In chapter 3, the catalytic activity of gold nanoparticles supported at different metal oxides, such as Fe2O3, Al2O3 ZnO or TiO2, was studied for the above reaction. The effect of the support, quantity of the catalyst and temperature was investigated. The recyclability of the gold catalysts was also studied. In the last chapter, a new copper nanocomposite with functionalized mutiwalled carbon nanotubes (Cu-MWCNT) was synthesized using a microwave assisted polyol method. The characterization was performed using XRD and SEM. The catalytic activity of Cu-MWCNT was studied through the degradation of pigments, such as amaranth, brilliant blue, indigo, tartrazine and methylene blue.

Nanodiamanten in primitiven Meteoriten: Strukturuntersuchungen und Einfluss des Rückstoßes bei beta-Zerfällen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Rückstoßeffekten, sowie Ausheizversuche zur Erforschung struktureller Veränderungen und Änderung der Edelgaskonzentrationen und Ausgasungsmuster in meteoritischen Nanodiamanten durchgeführt. In der ersten Versuchsserie wurden die durch prompte "?"-Strahlung bei Neutronenaktivierung von Brom in terrestrische Detonationsdiamanten und durch den "?"-Zerfall von 22Na in synthetischen und meteoritischen Diamanten verursachten Rückstoßverluste bestimmt. Diese wurden mit theoretischen Verlustwerten, berechnet mit Hilfe der SRIM-Software und der Korngrößenverteilung, verglichen. Im Fall der prompten "?"-Strahlung war der Unterschied signifikant. Hierzu können allerdings systematische Unsicherheiten in den gemessenen Verlusten, wie z.B. unbekannte Br-Verteilung innerhalb der Diamanten beigetragen haben. Die Ergebnisse des zweiten Versuchs bei kleineren Rückstoß-Energien, wie sie auch in der Natur vorkommen würden, zeigten dagegen keinen signifikanten Unterschied. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass weder das „Fehlen“ einiger in Supernovae Typ II gebildeter Radionuklide, wie 26Al, 44Ti, in den Diamanten noch die in einem für die Erklärung des Xe-H vorgeschlagenen Modell benötigte frühzeitige Trennung der Vorläuferkerne stabiler Xe-Isotope von den stabilen Xe-Isotopen durch Rückstoßverluste erklärt werden kann. In der zweiten Versuchsreihe wurden meteoritische Nanodiamantproben bei unterschiedlichen Temperaturen im Vakuum vorgeheizt und danach, um die Heizprodukte zu entfernen, chemisch behandelt. Bei allen Vorheiztemperaturen wurden zwiebelähnliche Strukturen registriert und auch in den nachbehandelten Proben wurden, bedingt durch die wegen Verklumpung der Proben eingeschränkte chemische Behandlung, neben Diamanten unveränderte, oder teilweise zerstörte Umwandlungsprodukte gefunden. Weiterhin wurden Edelgaskonzentrationen und Ausgasungsmuster gemessen, um die durch Vorheizen und chemische Behandlung bedingten Veränderungen im Vergleich zu den Original-Diamanten zu untersuchen. Ein unerwartetes Ergebnis dieser Untersuchungen war, dass die vorgeheizten und chemisch nachbehandelten Proben deutlich niedrigere Ausbeuten im Vergleich zu den nur vorgeheizten zeigten, was darauf hindeutete, dass die während des Vorheizens entstandenen Umwandlungsprodukte, wie z.B. zwiebelähnliche Strukturen, Edelgase zurückhalten konnten, die später (teilweise) durch chemische Behandlung entfernt wurden.

Strukturelle, chemische und isotopische Analysen nanoskaliger präsolarer und früher solarer Kondensate

Neben astronomischen Beobachtungen mittels boden- und satellitengestützer Instrumente existiert ein weiterer experimenteller Zugang zu astrophysikalischen Fragestellungen in Form einer Auswahl extraterrestrischen Materials, das für Laboruntersuchungen zur Verfügung steht. Hierzu zählen interplanetare Staubpartikel, Proben, die von Raumfahrzeugen zur Erde zurückgebracht wurden und primitive Meteorite. Von besonderem Interesse sind sog. primitive kohlige Chondrite, eine Klasse von Meteoriten, die seit ihrer Entstehung im frühen Sonnensystem kaum verändert wurden. Sie enthalten neben frühem solarem Material präsolare Minerale, die in Sternwinden von Supernovae und roten Riesensternen kondensiert sind und die Bildung unseres Sonnensystems weitgehend unverändert überstanden haben. Strukturelle, chemische und isotopische Analysen dieser Proben besitzen demnach eine große Relevanz für eine Vielzahl astrophysikalischer Forschungsgebiete. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Laboranalysen mittels modernster physikalischer Methoden an Bestandteilen primitiver Meteorite durchgeführt. Aufgrund der Vielfalt der zu untersuchenden Eigenschaften und der geringen Größen der analysierten Partikel zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern mussten hierbei hohe Anforderungen an Nachweiseffizienz und Ortsauflösung gestellt werden. Durch die Kombination verschiedener Methoden wurde ein neuer methodologischer Ansatz zur Analyse präsolarer Minerale (beispielsweise SiC) entwickelt. Aufgrund geringer Mengen verfügbaren Materials basiert dieses Konzept auf der parallelen nichtdestruktiven Vorcharakterisierung einer Vielzahl präsolarer Partikel im Hinblick auf ihren Gehalt diagnostischer Spurenelemente. Eine anschließende massenspektrometrische Untersuchung identifizierter Partikel mit hohen Konzentrationen interessanter Elemente ist in der Lage, Informationen zu nukleosynthetischen Bedingungen in ihren stellaren Quellen zu liefern. Weiterhin wurden Analysen meteoritischer Nanodiamanten durchgeführt, deren geringe Größen von wenigen Nanometern zu stark modifizierten Festkörpereigenschaften führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine quantitative Beschreibung von Quanteneinschluss-Effekten entwickelt, wie sie in diesen größenverteilten Halbleiter-Nanopartikeln auftreten. Die abgeleiteten Ergebnisse besitzen Relevanz für nanotechnologische Forschungen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden Untersuchungen an frühen solaren Partikeln, sog. refraktären Metall Nuggets (RMN). Mit Hilfe struktureller, chemischer und isotopischer Analysen, sowie dem Vergleich der Ergebnisse mit thermodynamischen Rechnungen, konnte zum ersten Mal ein direkter Nachweis von Kondensationsprozessen im frühen solaren Nebel erbracht werden. Die analysierten RMN gehören zu den ersten Festkörperkondensaten, die im frühen Sonnensystem gebildet wurden und scheinen seit ihrer Entstehung nicht durch sekundäre Prozesse verändert worden zu sein. Weiterhin konnte erstmals die Abkühlrate des Gases des lokalen solaren Nebels, in dem die ersten Kondensationsprozesse stattfanden, zu 0.5 K/Jahr bestimmt werden, wodurch ein detaillierter Blick in die thermodynamische Geschichte des frühen Sonnensystems möglich wird. Die extrahierten Parameter haben weitreichende Auswirkungen auf die Modelle der Entstehung erster solarer Festkörper, welche die Grundbausteine der Planetenbildung darstellen.

Silica-Supported Gold Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Reactivity

The main aim of this work was the synthesis and applications of functionalized-silica-supported gold nanoparticles. The silica-anchored functionalities employed, e.g. amine, alkynyl carbamate and sulfide moieties, possess a notable affinity with gold, so that they could be able to capture the gold precursor, to spontaneously reduce it (possibly at room temperature), and to stabilize the resulting gold nanoparticles. These new materials, potentially suitable for heterogeneous catalysis applications, could represent a breakthrough among the “green” synthesis of supported gold nanoparticles, since they would circumvent the addition of extra reducing agent and stabilizers, also allowing concomitant absorption of the active catalyst particles on the support immediately after spontaneous formation of gold nanoparticles. In chapter 4 of this thesis is also presented the work developed during a seven-months Marco Polo fellowship stay at the University of Lille (France), regarding nanoparticles nucleation and growth inside a microfluidic system and the study of the corresponding mechanism by in situ XANES spectroscopy. Finally, studies regarding the reparation and reactivity of gold decorated nanodiamonds are also described. Various methods of characterization have been used, such as ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis), Transmission Electron Microscopy (TEM), Dynamic Light Scattering (DLS), X-ray Fluorescence (XRF), Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy (SEM-FEG), X-ray Photoionization (XPS), X ray Absorption Spectroscopy (XAS).

Optisch detektierte Magnetresonanz an NV-Zentren in Diamant

Die rasante Entwicklung der Computerindustrie durch die stetige Verkleinerung der Transistoren führt immer schneller zum Erreichen der Grenze der Si-Technologie, ab der die Tunnelprozesse in den Transistoren ihre weitere Verkleinerung und Erhöhung ihrer Dichte in den Prozessoren nicht mehr zulassen. Die Zukunft der Computertechnologie liegt in der Verarbeitung der Quanteninformation. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist die Detektion und gezielte Manipulation einzelner Spins in Festkörpern von größter Bedeutung. Die Standardmethoden der Spindetektion, wie ESR, erlauben jedoch nur die Detektion von Spinensembles. Die Idee, die das Auslesen von einzelnen Spins ermöglich sollte, besteht darin, die Manipulation getrennt von der Detektion auszuführen.rn Bei dem NV−-Zentrum handelt es sich um eine spezielle Gitterfehlstelle im Diamant, die sich als einen atomaren, optisch auslesbaren Magnetfeldsensor benutzen lässt. Durch die Messung seiner Fluoreszenz sollte es möglich sein die Manipulation anderer, optisch nicht detektierbaren, “Dunkelspins“ in unmittelbarer Nähe des NV-Zentrums mittels der Spin-Spin-Kopplung zu detektieren. Das vorgeschlagene Modell des Quantencomputers basiert auf dem in SWCNT eingeschlossenen N@C60.Die Peapods, wie die Einheiten aus den in Kohlenstoffnanoröhre gepackten Fullerenen mit eingefangenem Stickstoff genannt werden, sollen die Grundlage für die Recheneinheiten eines wahren skalierbaren Quantencomputers bilden. Die in ihnen mit dem Stickstoff-Elektronenspin durchgeführten Rechnungen sollen mit den oberflächennahen NV-Zentren (von Diamantplatten), über denen sie positioniert sein sollen, optisch ausgelesen werden.rnrnDie vorliegende Arbeit hatte das primäre Ziel, die Kopplung der oberflächennahen NV-Einzelzentren an die optisch nicht detektierbaren Spins der Radikal-Moleküle auf der Diamantoberfläche mittels der ODMR-Kopplungsexperimente optisch zu detektieren und damit entscheidende Schritte auf dem Wege der Realisierung eines Quantenregisters zu tun.rn Es wurde ein sich im Entwicklungsstadium befindende ODMR-Setup wieder aufgebaut und seine bisherige Funktionsweise wurde an kommerziellen NV-Zentrum-reichen Nanodiamanten verifiziert. Im nächsten Schritt wurde die Effektivität und Weise der Messung an die Detektion und Manipulation der oberflächennah (< 7 nm Tiefe) implantieren NV-Einzelzenten in Diamantplatten angepasst.Ein sehr großer Teil der Arbeit, der hier nur bedingt beschrieben werden kann, bestand aus derrnAnpassung der existierenden Steuersoftware an die Problematik der praktischen Messung. Anschließend wurde die korrekte Funktion aller implementierten Pulssequenzen und anderer Software-Verbesserungen durch die Messung an oberflächennah implantierten NV-Einzelzentren verifiziert. Auch wurde der Messplatz um die zur Messung der Doppelresonanz notwendigen Komponenten wie einen steuerbaren Elektromagneten und RF-Signalquelle erweitert. Unter der Berücksichtigung der thermischen Stabilität von N@C60 wurde für zukünftige Experimente auch ein optischer Kryostat geplant, gebaut, in das Setup integriert und charakterisiert.rn Die Spin-Spin-Kopplungsexperimente wurden mit dem sauerstoffstabilen Galvinoxyl-Radikalals einem Modell-System für Kopplung durchgeführt. Dabei wurde über die Kopplung mit einem NVZentrum das RF-Spektrum des gekoppelten Radikal-Spins beobachtet. Auch konnte von dem gekoppelten Spin eine Rabi-Nutation aufgenommen werden.rn Es wurden auch weitere Aspekte der Peapod Messung und Oberflächenimplantation betrachtet.Es wurde untersucht, ob sich die NV-Detektion durch die SWCNTs, Peapods oder Fullerene stören lässt. Es zeigte sich, dass die Komponenten des geplanten Quantencomputers, bis auf die C60-Cluster, für eine ODMR-Messanordnung nicht detektierbar sind und die NV-Messung nicht stören werden. Es wurde auch betrachtet, welche Arten von kommerziellen Diamantplatten für die Oberflächenimplantation geeignet sind, für die Kopplungsmessungen geeignete Dichte der implantierten NV-Zentren abgeschätzt und eine Implantation mit abgeschätzter Dichte betrachtet.

A new Time-Of-Flight Mass Spectrometer (TOF-MS) for noble gas analysis

Noble gas analysis in early solar system materials, which can provide valuable information about early solar system processes and timescales, are very challenging because of extremely low noble gas concentrations (ppt). We therefore developed a new compact sized (33 cm length, 7.2cm diameter, 1.3 L internal volume) Time-of-Flight (TOF) noble gas mass spectrometer for high sensitivity. We call it as Edel Gas Time-of-flight (EGT) mass spectrometer. The instrument uses electron impact ionization coupled to an ion trap, which allows us to ionize and measure all noble gas isotopes. Using a reflectron set-up improves the mass resolution. In addition, the reflectron set-up also enables some extra focusing. The detection is via MCPs and the signals are processed either via ADC or TDC systems. The objective of this work is to understand the newly developed Time-Of-Flight (TOF) mass spectrometer for noble gas analysis in presolar grains of the meteorites. Chapter 1 briefly introduces the basic idea and importance of the instrument. The physics relevant to time-of-flight mass spectrometry technique is discussed in the Chapter 2 and Chapter 3 will present the oxidation technique of nanodiamonds of the presolar grains by using copper oxide. Chapter 4 will present the details about EGT data analysis software. Chapter 5 and Chapter 6 will explain the details about EGT design and operation. Finally, the performance results will be presented and discussed in the Chapter 7, and whole work is summarized in Chapter 8 and also outlook of the future work is given.